Результат интеллектуальной деятельности: ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ, СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ПАРТИИ ТУРБОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (ВАРИАНТЫ), СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Группа изобретений, связанных единым творческим замыслом, относится к области авиадвигателестроения, а именно к авиационным двигателям типа турбореактивных, способам их испытания, опытного и промышленного производства и эксплуатации.

Известен способ испытания турбореактивного двигателя по определению ресурса и надежности работы, заключающийся в чередовании режимов при выполнении этапов длительностью, превышающей время полета. Двигатель испытывают поэтапно. Длительность безостановочной работы на стенде и чередование режимов устанавливают в зависимости от назначения двигателя (Л.С.Скубачевский. Испытание воздушно-реактивных двигателей. Москва, Машиностроение, 1972, с.13-15).

Известный способ характеризуется наибольшей длительностью и энергоемкостью испытаний с доведением до полного разрушения отдельных двигателей.

Известен турбореактивный двигатель, который выполнен двухконтурным, содержит корпус, опертые на него компрессоры и турбины, охлаждаемую камеру сгорания, топливно-насосную группу, реактивные сопла и систему управления с командными и исполнительными органами (Шульгин В.А., Гайсинский С.Я. Двухконтурные турбореактивные двигатели малошумных самолетов. М.: изд. Машиностроение, 1984, с.с.17-120).

Известен способ разработки и испытаний авиационных турбореактивных двигателей, заключающийся в измерении параметров по режимам работы двигателя и приведении их к стандартным атмосферным условиям с учетом изменения свойств рабочего тела и геометрических характеристик проточной части двигателя при изменении атмосферных условий (Ю.А.Литвинов, В.О.Боровик. Характеристики и эксплуатационные свойства авиационных турбореактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1979, 288 с, стр.136-137).

Известен способ разработки и испытаний авиационных двигателей типа турбореактивных, включающий отработку заданных режимов, контроль параметров и оценку по ним ресурса и надежности работы двигателя. С целью сокращения времени испытаний при доводке двигателей 10-20% испытания проводят с температурой газа перед турбиной, превышающей максимальную рабочую температуру на 45-65°С (SU 1151075 А1, опубл. 10.08.2004).

Известен способ промышленного производства авиационных двигателей типа турбореактивных, включающий изготовление и заводскую сборку силовых, контролирующих, командных и исполнительных агрегатов, блоков и систем двигателя, включая компрессоры, турбины, камеры сгорания, воздушную, топливную и масляную системы и систему управления двигателем. (Богуслаев В.А., Качан А.Я., Долматов А.И., Мозговой В.Ф., Кореневский Н.Я. Технология производства авиационных двигателей Запорожье. Изд. Мотор Сич, 2009 [учеб.]; ч.4. Сборка авиационных двигателей. Раздел 3, с.26-61.

Известен способ эксплуатации авиационных двигателей типа ТРД, включающий операции обслуживания, предполетной подготовки, запуска, прогрева, вывода на предусмотренные регламентом полетные режимы и останов двигателя, а также профилактику, текущие и капитальный ремонты. (Ю.А.Литвинов, В.О.Боровик. Характеристики и эксплуатационные свойства авиационных турбореактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1979, с.288).

Общими недостатками указанных известных технических решений являются повышенная трудо- и энергоемкость испытаний и недостаточно высокая оценка ресурса и надежности работы двигателя в широком диапазоне полетных режимов и условий эксплуатации, вследствие неотработанности программы приведения конкретных результатов испытаний к результатам, отнесенным к стандартным условиям эксплуатации двигателя известными способами, которые не учитывают с достаточной корректностью изменение параметров и режимов работы двигателя. Это осложняет возможность приведения экспериментальных параметров испытаний к параметрам, максимально приближенным к реальной структуре и удельному соотношению режимов работы двигателя в процессе эксплуатации, на каждой из стадий разработки, доводки, опытно-промышленного, серийного производства и эксплуатации авиационных двигателей.

Задача изобретения состоит в разработке авиационных двигателей типа турбореактивных, способов их испытаний, доводки, опытного и промышленного производства и эксплуатации с повышенной достоверностью результатов испытаний на любом из этапов от опытно-промышленного образца до промышленного производства и летной эксплуатации авиационных двигателей, в том числе с включением разработки типовых полетных циклов, определения ресурса и надежности двигателя в условиях, максимально приближенных к реальной структуре и удельному соотношению режимов работы двигателя в процессе эксплуатации.

Поставленная задача в части способа испытания турбореактивного двигателя (ТРД) решается тем, что согласно изобретению включает чередование режимов при выполнении этапов испытания длительностью работы турбореактивного двигателя, превышающей программное время полета, для чего сначала формируют типовые полетные циклы и определяют повреждаемость наиболее нагруженных деталей, исходя из этого определяют необходимое количество циклов нагружения при испытании, а затем формируют и производят полный объем испытаний, включающий выполнение последовательности испытательных циклов - быстрый выход на максимальный или полный форсированный режим, быстрый сброс на режим «малого газа», останов и цикл длительной работы с многократным чередованием режимов во всем рабочем спектре с различным размахом диапазона изменения режимов работы турбореактивного двигателя, в совокупности превышающем время полета в 5÷6 раз; при этом различный размах диапазона изменения режимов работы двигателя реализуют, изменяя уровень перепада газа в конкретных режимах испытания от начального до наибольшего - максимального или полного форсированного режима работы двигателя путем переноса начальной точки отсчета при выполнении соответствующего режима, принимая последнюю в одном из режимов в положении, соответствующем уровню «малый газ», а в других режимах - в промежуточных или конечном положениях, соответствующих различным процентным долям или полному значению уровня газа максимального или полного форсированного режима, причем быстрый выход на максимальный или форсированный режимы на части испытательного цикла осуществляют в темпе приемистости с последующим сбросом.

При этом часть испытательных циклов могут осуществлять без прогрева на режиме «малый газ» после запуска.

Испытательный цикл могут формировать на основе полетных циклов для боевого и учебного применения турбореактивного двигателя.

Поставленная задача в части способа производства партии турбореактивных двигателей, в котором выполняют опытную партию ТРД, при этом производят, по меньшей мере, сборку каждого опытного двигателя, в том числе монтируют корпус, опертые на него турбины с роторами, компрессоры, топливно-насосную группу, реактивное сопло, преимущественно, с изменяющимися критическим сечением и вектором тяги, охлаждаемую камеру сгорания и систему управления с командным и исполнительными органами и подвергают испытанию смонтированные опытные ТРД на определение ресурса и надежности в условиях многорежимных полетов, решается тем, что согласно изобретению испытания производят приведенным выше способом испытания ТРД, по завершению программы испытаний анализируют полученные результаты, устраняют выявленные недостатки, при необходимости вносят изменения в конструкцию или в отдельные узлы ТРД и считают опытный образец выполненным и соответствующим заданной программе.

Поставленная задача в части турбореактивного двигателя решается тем, что согласно изобретению двигатель выполнен двухконтурным, содержит корпус, опертые на него турбины с роторами, компрессоры, топливно-насосную группу, реактивное сопло с изменяющимися критическим сечением и вектором тяги, охлаждаемую камеру сгорания и систему управления с командным и исполнительными органами, при этом двигатель, по меньшей мере, на одной из стадий - доводки, опытно-промышленного, серийного производства и/или эксплуатации, подвергнут испытаниям приведенным выше способом испытания ТРД на определение ресурса и надежности по программе воспроизведения условий, максимально приближенных к реальной структуре и удельному соотношению заданных режимов работы двигателя.

Поставленная задача в части способа производства партии турбореактивных двигателей, в котором осуществляют, по меньшей мере, серийную промышленную заводскую сборку двигателей, при этом в каждом двигателе монтируют корпус и силовые агрегаты, включая компрессоры, турбины, не менее чем одну камеру сгорания, реактивное сопло, воздушную, топливную и масляную гидравлические системы, мониторинговые, командные и исполнительные элементы, блоки и системы, и производят стендовые испытания серийных турбореактивных двигателей из партии идентично произведенных ТРД, решается тем, что согласно изобретению испытанию подвергают группу двигателей из промышленной партии ТРД и производят испытания приведенным выше способом испытания ТРД на определение ресурса и надежности работы и производят проверку соответствия указанных ресурсов заданным значениям, при необходимости с последующим переводом результатов испытаний, полученных в конкретных атмосферно-климатических условиях, к значениям, соответствующим стандартным атмосферным условиям, с возможностью последующего пересчета конечных результатов, при необходимости, к любым требуемым атмосферно-климатическим условиям, для работы в которых предназначен тот или иной серийный двигатель или партия одновременно промышленно произведенных идентичных турбореактивных двигателей.

Поставленная задача в части способа эксплуатации турбореактивного двигателя, в котором перед каждым запуском выполняют проверку готовности двигателя к работе, производят запуск, прогрев и вывод двигателя на предусмотренные регламентом рабочие режимы, периодически производят профилактические осмотры, текущие ремонты, а также, по меньшей мере, один капитальный ремонт, решается тем, что согласно изобретению после капитального ремонта двигатель подвергают стендовым испытаниям приведенным выше способом испытания ТРД на определение ресурса и надежности работы двигателя, по результатам которых, при необходимости, производят послеремонтную доводку и, если необходимо, вариантно выполняют дополнительные испытания, скоррелированные с тематическим содержанием послеремонтной доводки и регламентом последующего этапа эксплуатации турбореактивного двигателя.

При этом после капитального ремонта и/или послеремонтной доводки турбореактивный двигатель могут подвергать испытанию на помпаж и определение границ газодинамической устойчивости работы.

Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, состоит в разработке способов испытаний на этапах выполнения опытных образцов, доводки, а также на стадии серийных промышленно произведенных и прошедших капитальный ремонт турбореактивных двигателей, повышающих достоверность результатов испытаний, что достигается за счет вариантно разработанного в изобретении чередования режимов при выполнении этапов испытания, которые по длительности превышают программное время полета, при этом предварительно формируют типовые полетные циклы, на основании которых по программе определяют повреждаемость наиболее загруженных деталей и исходя из этого определяют необходимое количество циклов нагружения при испытании. Формируют полный объем испытаний, включая быструю смену циклов в полном регистре от быстрого выхода на максимальный либо полный форсированный режим до полного останова двигателя и затем репрезентативный цикл длительной работы с многократным чередованием режимов во всем рабочем спектре с различным размахом диапазона изменения режимов, превышающем время полета не менее чем в 5 раз, причем быстрый выход на максимальный или форсированный режим на части испытательного цикла осуществляют в темпе приемистости и сброса. Это позволяет упростить последующие испытания, повысить корректность и расширить репрезентативность оценки ресурса и надежности работы двигателя на всех этапах доводки, серийного промышленного производства и летной эксплуатации турбореактивных двигателей с корректным распространением репрезентативных оценок на широкий диапазон региональных и сезонных условий последующей летной эксплуатации двигателей, выполняемой в соответствии с изобретением.

В предлагаемом способе испытания турбореактивного двигателя испытания проводят с чередованием режимов и длительностью работы двигателя, превышающей программное время полета. Сначала формируют типовые полетные циклы и определяют повреждаемость наиболее нагруженных деталей. Определяют необходимое количество циклов нагружения при испытании. Формируют и производят полный объем испытаний, включающий выполнение последовательности испытательных циклов - быстрый выход на максимальный или полный форсированный режим, быстрый сброс на режим «малого газа», останов. Выполняют цикл длительной работы с многократным чередованием режимов во всем рабочем спектре с различным размахом диапазона изменения режимов работы турбореактивного двигателя, превышающем время полета в 5÷6 раз. Различный размах диапазона изменения режимов работы двигателя реализуют, изменяя уровень перепада газа в конкретных режимах испытания от начального до наибольшего - максимального или полного форсированного режима работы двигателя, путем переноса начальной точки отсчета при выполнении соответствующего режима, принимая последнюю в одном из режимов в положении, соответствующем уровню «малый газ», а в других режимах - в промежуточных или конечном положениях, соответствующих различным процентным долям или полному значению уровня газа максимального или полного форсированного режима. Быстрый выход на максимальный или форсированный режимы на части испытательного цикла осуществляют в темпе приемистости с последующим сбросом.

Часть испытательных циклов осуществляют без прогрева на режиме «малый газ» после запуска.

Испытательный цикл формируют на основе полетных циклов для боевого и учебного применения турбореактивного двигателя.

В способе производства партии турбореактивных двигателей, в котором выполняют опытную партию ТРД, производят, по меньшей мере, сборку каждого опытного двигателя. Монтируют корпус, опертые на него турбины с роторами, компрессоры, топливно-насосную группу, реактивное сопло, преимущественно, с изменяющимися критическим сечением и вектором тяги, охлаждаемую камеру сгорания и систему управления с командным и исполнительными органами. Далее подвергают испытанию смонтированные опытные ТРД на определение ресурса и надежности в условиях многорежимных полетов. Испытания производят приведенным выше способом испытания ТРД. По завершении программы испытаний анализируют полученные результаты, устраняют выявленные недостатки. При необходимости вносят изменения в конструкцию или в отдельные узлы ТРД и считают опытный образец выполненным и соответствующим заданной программе.

Турбореактивный двигатель выполнен двухконтурным, содержит корпус, опертые на него турбины с роторами, компрессоры, топливно-насосную группу, реактивное сопло с изменяющимися критическим сечением и вектором тяги, охлаждаемую камеру сгорания и систему управления с командным и исполнительными органами. Двигатель, по меньшей мере, на одной из стадий - доводки, опытно-промышленного, серийного производства и/или эксплуатации подвергнут испытаниям приведенным выше способом испытания ТРД на определение ресурса и надежности по программе воспроизведения условий, максимально приближенных к реальной структуре и удельному соотношению заданных режимов работы двигателя.

В способе производства партии турбореактивных двигателей осуществляют, по меньшей мере, серийную промышленную заводскую сборку двигателей. В каждом двигателе монтируют корпус и силовые агрегаты, включая компрессоры, турбины, не менее чем одну камеру сгорания, реактивное сопло, воздушную, топливную и масляную гидравлические системы, мониторинговые, командные и исполнительные элементы, блоки и системы. Производят стендовые испытания серийных турбореактивных двигателей из партии идентично произведенных ТРД. Испытанию подвергают группу двигателей из промышленной партии ТРД и производят испытания приведенным выше способом испытания ТРД на определение ресурса и надежности работы. Производят проверку соответствия указанных ресурсов заданным значениям. При необходимости переводят результаты испытаний, полученные в конкретных атмосферно-климатических условиях, к значениям, соответствующим стандартным атмосферным условиям, с возможностью последующего пересчета конечных результатов, при необходимости, к любым требуемым атмосферно-климатическим условиям, для работы в которых предназначен тот или иной серийный двигатель или партия одновременно промышленно произведенных идентичных турбореактивных двигателей.

В способе эксплуатации турбореактивного двигателя перед каждым запуском выполняют проверку готовности двигателя к работе. Производят запуск, прогрев и вывод двигателя на предусмотренные регламентом рабочие режимы. Периодически производят профилактические осмотры, текущие ремонты, а также, по меньшей мере, один капитальный ремонт. После капитального ремонта двигатель подвергают стендовым испытаниям указанным выше способом испытания турбореактивного двигателя после капитального ремонта в процессе эксплуатации ТРД на определение ресурса и надежности работы двигателя. По результатам испытаний, при необходимости, производят послеремонтную доводку и, если необходимо, вариантно выполняют дополнительные испытания, скоррелированные с тематическим содержанием послеремонтной доводки и регламентом последующего этапа эксплуатации турбореактивного двигателя.

После капитального ремонта и/или послеремонтной доводки турбореактивный двигатель подвергают испытанию на помпаж и определение границ газодинамической устойчивости работы.

Пример реализации способа испытания турбореактивного двигателя (ТРД)

Испытанию подвергают ТРД с проектным ресурсом 500 часов общей наработки до первого капитального ремонта. В указанном ресурсе задана наработка 20 ч на максимальном режиме, из них 5 ч на полном форсированном режиме. Формируют типовые полетные циклы (ТПЦ) и устанавливают заданное время работы двигателя 1 ч, эквивалентное полетному времени летательного аппарата (ЛА) по принятому ТПЦ. На основании ТПЦ расчетным путем определяют повреждаемость наиболее нагруженных деталей. Исходя из этого определяют необходимое эквивалентное по повреждаемости количество циклов при испытаниях. В данном варианте принимают следующий состав нагрузочных испытательных циклов - выполнение 700 (400+300) запусков с выходом соответственно на максимальный и форсированные режимы, а также 400 приемистостей от режима «малый газ» (МГ) до максимального (Макс.) и 300 с режима 0,8 Макс. до форсированного (Фор) режима.

Устанавливают коэффициент запаса на требуемое количество испытательных нагрузочных циклов и времени наработки К=1, 2.

Формируют полный объем ресурсных испытаний и разрабатывают программу проведения испытаний.

1. Общую наработку при проведении ресурсных испытаний принимают 500*1,2=600 ч, из них наработку на максимальном режиме принимают (20-5)* 1,2=18 ч, а на форсированном режиме 5*1,2=6 ч.

2. Принимают продолжительность этапа испытаний 5 ч, и определяют количество пятичасовых этапов 600:5=120.

3. Устанавливают количество запусков с учетом коэффициента запаса 700*1,2=840, а также от МГ до Макс 400*1,2=480 и от 0,8 Макс до Фор 300*1,2=360.

4. Каждый пятичасовой этап включает 840:120=7, приемистостей от режима МГ до Макс 480:120=4 и приемистостей с режима 0,8 Макс до Фор 360:120=3, а также наработку на максимальном и форсированном режимах 18*60:120=9 мин, 360:120=3 мин.

5. Устанавливают последовательность испытательных циклов - быстрый выход на максимальный или полный форсированный режим, быстрый сброс на режим МГ и останов. Затем предусматривают цикл длительной работы с многократным чередованием нагрузочных циклов с размахом диапазонов изменения режимов от МГ до Макс и 0,8 Макс до Фор в пределах установленного выше объема испытательных этапов.

Выполняют испытания ТРД по указанной программе. Затем проводят дефектацию двигателя и анализ результатов испытаний, по которым принимают решение о признании двигателя выдержавшим испытания.

Изложенную выше последовательность испытания турбореактивных двигателей применяют на всех этапах от доводки опытных образцов до промышленного производства, эксплуатации и капитального ремонта двигателей.